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实验 2 化合物的晶体结构一、实验目的：巩固化合物晶体结构知识二、实验内容：典型的化合物的晶体结构有：1. NaCl 型结构NaCl 晶体结构是如图6-1 所示的立方面心格子，属立方晶系 Fm3m 空间群，a0=0.5628nm阴离子按立方最紧密方式堆积，阳离子充填于全部的八面体空隙中，阴、 阳离子的配位数都是6属于 NaCl 型晶体结构的晶体有很多，列于表6-1 中表 6-1 NaCl 型结构的晶体化合物 晶胞参数 (nm) 化合物晶胞参数(nm) 化合物 晶胞参数 (nm) 化合物晶胞参数(nm) NaCl 0.5628 BaO 0.5523 NiO 0.4168 CrN 0.4140 NaI 0.6462 CdO 0.4700 TiN 0.4235 ZrN 0.4610 MgO 0.4203 CoO 0.4250 LaN 0.5275 CaO 0.4797 MnO 0.4435 TiC 0.4320 SrO 0.5150 FeO 0.4332 ScN 0.4440 (A) 立方面心格子(B) 晶胞(C) 晶胞绘制图图 2-1 氯化钠晶体结构2. CsCl 型结构CsCl 晶体结构是立方原始格子 （图 6-2） ， 属立方晶系 Pm3m空间群， a0=0.411nm。

Cl-处于立方原始格子的八个角顶上，Cs+位于立方体中心，阴、阳离子的配位数都是8属于 CsCl 型晶体结构的晶体有CsBr、CsI、TlCl 、NH4Cl图 2-2 CsCl 晶体结构图 2-3 纤锌矿晶体结构3. 纤锌矿 ( -ZnS)型结构纤锌矿 ( -ZnS)的晶体结构属立方晶系P63mc 空间群，a0=0.382nm，c0=0.625nm，Z=2在纤锌矿结构中 （图 6-3）， S2-按六方紧密堆积排列，Zn2+充填于 1/2 的四面体空隙中，阴、阳离子的配位数都是4属于纤锌矿 ( -ZnS)型晶体结构的晶体有BeO、ZnO 和 AlN 4. 闪锌矿 ( -ZnS)型结构闪 锌 矿 ( -ZnS) 的 晶 体 结 构 属 立 方 晶 系mF 34空 间 群 ，a0=0.540nm，Z=4如图 6-4 所示的闪锌矿结构是立方面心格子，S2-位于立方面心的结点位置，Zn2+交错地分布于立方体内的1/8小立方体的中心，阴、阳离子的配位数都是4如果将S2-看成是作立方最紧密堆积，则Zn2+充填于 1/2 的四面体空隙中属于闪锌矿 ( -ZnS)型晶体结构的晶体有-SiC、GaAs、AlP和 InSb。

图 2-4 闪锌矿的晶体结构5. CaF2型结构萤石的晶体结构如图6-5 所示，属立方晶系Fm3m 空间群，a0=0.545nm，Z=4Ca2+位于立方面心的结点位置，F-位于立方体内的八个小立方体的中心，Ca2+的配位数是8，F-的配位数是4在萤石结构中可以将Ca2+看成是作立方紧密堆积，F-充填于全部四面体空隙中，而全部的八面体空隙都没有被充填，因此，在结构中八个F-离子之间就形成一个“空洞”，这些“空洞”为 F-离子的扩散提供了条件属于萤石型晶体结构的晶体有BaF2、PbF2、SnF2、CeO2、ThO2和 UO2，还有一些晶体的结构与萤石的完全相同，只是阴、阳离子的位置完全互换，如Li2O、Na2O、K2O 等图 2-5 萤石晶体结6. 金红石 (TiO2)型结构金红石 (TiO2)的晶体结构以及结构中Ti—O 八面体链的排列示于图6-6 中，金红石结构属四方晶系P42/mnm 空间群，a0=0.459nm，c0=0.459nm，Z=2金红石结构为四方原始格子，Ti4+位于四方原始格子的结点位置，体中心的Ti4+自成另一套四方原始格子， O2-在晶胞中处于一些特定位置上，Ti4+的配位数是6，O2-的配位数是 3。

金红石结构中Ti-O 八面体以共棱的方式排成链状，晶胞中心的链和四角的Ti-O 八面体链的排列方向相差90 ，链与链之间由 Ti-O 八面体以共顶相连如果把O2-看成近似于六方紧密堆积，则 Ti4+位于 1/2 的八面体空隙之中属于金红石型晶体结构的晶体有GeO2、 SnO2、 PbO2、 MnO2、MoO2、NbO2、WO2、CoO2、MnF2、MgF2图 2-6 金红石晶体结构以及结构中Ti-O 八面体链的排列7. CdI2型结构CdI2型晶体结构属于三方晶系mP3空间群， a0=0.424nm，c0=0.684nm，Z=1Cd2+在单位晶胞中占有六方原始格子的结点位置，I-交叉分布在三个Cd2+形成的三角形中心的上、下方，因此，CdI2结构就相当于两层I-离子中间夹一层Cd2+离子 Cd2+的配位数是 6，I-的配位数是 3属于 CdI2型晶体结构的晶体有Ca(OH)2、Mg(OH)2、CaI2、MgI2等图 2-7 CdI2型晶体结构 (A)及层状多面体连接方式 (B) 8. 方石英型结构方石英属于立方晶系Fd3m 空间群， a0=0.713nm，Z=8如图 6-8 所示，方石英的晶胞中Si4+占有全部面心立方结点的位置和立方体内相当于八个小立方体中心的四个。

每个 Si4+都和四个 O2-相连，硅氧四面体层与层之间以顶角相连图 2-8 方石英的晶体结构及结构中硅氧四面体的连接方式9. 刚玉(Al2O3)型结构刚 玉 ( -Al2O3) 型 晶 体 结 构 属 三 方 晶 系cR3空 间 群 ，a0=0.514nm ，=55 17’ ， Z=2 如 果 用 六 方 大 晶 胞 表 示 ，a0=0.475nm，c0=1.297nm，Z=6（图 6-9）刚玉结构中O2-按六方紧密堆积排列， Al3+充填于 2/3 的八面体空隙， Al3+在结构中有如图 6-9 中所示的三种分布形式属于刚玉型晶体结构的晶体有a-Fe2O3、Cr2O3、Ti2O3、V2O3等图 2-9 刚玉晶体结构（菱面体晶胞）和结构中Al3+的三种不同排列方式10. 钙钛矿型结构钙钛矿的通式是ABO3，其中 A 代表一价或二价金属离子，B 代表四价或五价金属离子 具有钙钛矿型晶体结构的主要晶体列于表 6-2 中，其典型矿物为CaTiO3CaTiO3在高温下属立方晶系Pm3m 空间群， a0=0.385nm，Z=1低于 600 C 时为正交晶系PCmm 空间群， a0=0.537nm，b0=0.764nm，c0=0.544nm，Z=4。

CaTiO3结构中 Ca2+占有立方面心的角顶位置， O2-处于立方面心的面心位置，所以，CaTiO3结构可以看成是由O2-和半径较大的Ca2+共同组成立方紧密堆积，Ti4+充填在 1/4 的八面体空隙中（图6-10）， Ti4+的配位数是 6，Ca2+的配位数是 12表 2-2 具有钙钛矿型结构的主要晶体氧化物(1+5) 氧化物(2+4) 氧化物(3+3) 氧化物(1+2) NaNbO3CaTiO3SrZrO3CaCeO3YAlO3KNgF3KNbO3SrTiO3BaZrO3BaCeO3LaAlO3KniF3NaWO3BaTiO3PbZrO3PbCeO3LaCrO3KZnF3PbTiO3CaSnO3BaPrO3LaMnO3CaZrO3BaSnO3BaHfO3LaFeO3图 2-10 CaTiO3的晶体结构11. 尖晶石型结构尖晶石的通式是AB2O4，其中 A 代表二价金属离子， B 代表三价金属离子，典型晶体是MgAl2O4，其晶体结构以及结构中多面体的连接方式如图6-11 所示，属立方晶系Fd3m 空间群，a0=0.808nm，Z=8结构中O2-可看成是立方紧密堆积，Mg2+充填于 1/8 的四面体空隙中， Al3+充填于 1/2 的八面体空隙中，八面体之间以共棱方式、八面体与四面体之间以共顶方式相连。

具有尖晶石型晶体结构的主要晶体列于表6-3 中表 2-3 具有尖晶石型结构的主要晶体氟、氰化合物氧化物硫化物BeLi2F4TiMg2O4ZnCr2O4CoCo2O4MgAl2O4MnCr2S4MoNa2F4VMg2O4CdCr2O4CuCo2O4MnAl2O4CoCr2S4ZnK2(CN)4MgV2O4ZnMn2O4FeNi2O4FeAl2O4FeCr2S4CdK2(CN)4ZnV2O4MnMn2O4GeNi2O4MgGa2O4FeNi2S4MgK2(CN)4MgCr2O4MgFe2O4TiZn2O4CaGa2O4FeCr2O4FeFe2O4SnZn2O4MgIn2O4NiCr2O4CoFe2O4FeIn2O4图 2-11 尖晶石的晶体结构以及结构中多面体的连接方式实验内容：1. 就以上 11 种典型的化合物晶体结构，对照模型，搞清各晶体结构中正负离子的配位关系、密堆关系，熟悉其晶胞2. 试作 1~2 种晶体模型三、思考题1. 试列举 10 种典型的化合物晶体结构2. 请说明你所制作的晶体模型的晶体结构特征。